一种燃料电池空气路子系统测试系统

技术领域

本发明涉及燃料电池检测系统技术领域，特别是涉及一种燃料电池空气路子系统测试系统。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池系统的阴极子系统即空气路子系统通常使用所述的空气气路的零部件，将温度和压力适宜的压缩空气输送至电堆入口，从而实现燃料电池电堆的稳定工作。现有的空压机台架都是测试单个空压机的性能，没有考虑到空气路其他零部件对电堆的影响，没有考虑到各零部件相关联的影响，且现在还没有针对带能量回收空压机的测试系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的燃料电池空气路子系统测试系统只能单独测试单个零部件的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池空气路子系统测试系统，其包括供气模块、空压机、空空换热器、中冷器、背压阀、三通调节阀、水气分离器、涡轮膨胀机、排气口和多个检测管路；所述供气模块、所述空压机、所述空空换热器、所述中冷器、所述背压阀依次通过所述检测管路串联，所述三通调节阀通过管道分别与所述排气口、背压阀和水气分离器相连，所述水气分离器与所述空空换热器通过检测管路相连，所述空空换热器、所述涡轮膨胀机、所述排气口依次通过所述检测管路串联；其中，每条检测管道设有至少一个压力传感器和至少一个温度传感器。

进一步地，所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括第一液冷模块，所述第一液冷模块与所述空压机串联，所述第一液冷模块用于对所述空压机降温。

进一步地，所述第一液冷模块包括第一补水箱、第一循环水泵、第一散热器和空压机驱动器，所述空压机、所述第一循环水泵、所述第一散热器、所述空压机驱动器依次串联，且所述第一循环水泵向所述空压机驱动器及所述空压机输入冷却液，以形成第一循环水路，所述第一补水箱通过管道分别与所述第一循环水泵和第一散热器相连。

进一步地，所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括第二液冷模块、所述第二液冷模块与所述中冷器串联，所述第二液冷模块用于对所述中冷器调温。

进一步地，所述第二液冷模块包括第二补水箱、第二循环水泵、三通阀、第二散热器，所述中冷器、所述第二循环水泵、所述三通阀、所述第二散热器依次串联，且所述三通阀及所述第二散热器向中冷器输入冷却液，以形成第二循环水路，所述第二补水箱通过管道分别与所述第二循环水泵和第二散热器相连，所述三通阀通过管道与所述中冷器相连。

进一步地，所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括还包括增湿机构，所述增湿机构包括第三水箱、高压泵和喷头，所述高压泵通过管道分别与所述第三水箱和所述喷头相连，所述喷头用于对所述连接三通调节阀和所述水气分离器的检测管路喷淋液体。

进一步地，所述空空换热器的热侧通过管道与所述空压机和所述中冷器相连，所述空空换热器的冷侧通过管道与所述水气分离器和所述涡轮膨胀机相连。所述空压机和所述涡轮膨胀机为一体结构，通过机械结构同轴相连。所述空压机通过所述空空换热器的热侧向所述中冷器输送高温气体，气体经所述水气分离器后通过空空换热器的冷侧向所述涡轮膨胀机输送气体。

进一步地，所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括储水箱，储水箱通过管道与所述水气分离器的底端相连。

进一步地，所述排气口设有尾排消声器，所述尾排消声器用于降低燃料电池空气路子系统运转产生的噪声。

进一步地，所述供气模块设有过滤器。

本发明实施例一种燃料电池空气路子系统测试系统与现有技术相比，其有益效果在于：其可以测试空压机、空空换热器、中冷器、背压阀、水气分离器等零部件的性能，可以模拟电堆空气路的气体相对湿度及电堆反应的水生成量。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图。

图中，供气模块1；过滤器11；空压机2；空空换热器3；中冷器4；第一液冷模块5；第一补水箱51；第一循环水泵52；第一散热器53；空压机驱动器54；第一流量计55；第二液冷模块6；第二补水箱61；第二循环水泵62；三通阀63；第二散热器64；第二流量计65；压力传感器7；温度传感器8；空气流量计9；背压阀10；三通调节阀11；降温机构12；第三水箱121；高压泵122；喷头123；水气分离器13；涡轮膨胀机14；尾排消声器15；储水箱16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明根据燃料电池的运转工况和燃料电池对进口空气的要求，结合燃料电池新的发展方向，设计的一种燃料电池空气路子系统测试系统，满足燃料电池厂家对空气路子系统零部件的性能验证要求。

本发明实施例优选实施例的一种燃料电池空气路子系统测试系统，其包括供气模块1、空压机2、空空换热器3、中冷器4、背压阀10、三通调节阀11、水气分离器13、涡轮膨胀机14、排气口和多个检测管路。

所述供气模块1、所述空压机2、所述空空换热器3、所述中冷器4、所述背压阀10依次通过所述检测管路串联，所述三通调节阀11通过管道分别与所述排气口、背压阀10和水气分离器13相连，所述水气分离器13与所述空空换热器3通过检测管路相连，所述空空换热器3、所述涡轮膨胀机14、所述排气口依次通过所述检测管路串联。其中，每条检测管道设有至少一个压力传感器7和至少一个温度传感器8。

所述供气模块1可以向所述空压机2输送空气，空气在空压机2内经过压缩后会输往所述空空换热器3，所述空空换热器3可以将空压机2输送过来的高压空气进行降温，将高压空气的热量转移到燃料电池尾排的湿空气，加热后的湿空气供给所述涡轮膨胀机14，避免所述涡轮膨胀机14的磨损。所述涡轮膨胀机14与所述空压机2可以为采用同轴结构的一体化设计，也可单独连接储能结构进行能量回收。所述涡轮膨胀机14与排气口之间的管道设有用于检测气体流量的空气流量计9。所述三通调节阀11与排气口之间的管道同样设有用于检测气体流量的空气流量计9高压空气会从所述空空换热器3输往所述中冷器4，所述中冷器4对高压空气进行调温，模拟燃料电池的出口空气温度达到所需温度要求。所述中冷器4将调温后的高压空气输往背压阀10，背压阀10可以模拟燃料电池电堆流阻，调节高压空气的出堆压力。高压空气从背压阀10输往三通调节阀11，三通调节阀11将部分高压空气输往燃料电池，部分输往所述排气口，此处通往排气口部分空气模拟了燃料电池堆的空气消耗。最后，高压空气经过喷头123喷淋后，模拟了空气出堆之后空气的加湿情况，随后进入水气分离器13。水气分离器13分离电堆反应后生成的水汽，将分离了大颗粒液态水之后的空气输往空空换热器3。

所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括第一液冷模块5，所述第一液冷模块5与所述空压机2串联，所述第一液冷模块5用于对所述空压机2降温，防止所述空压机2过热。其中，所述第一液冷模块5包括第一补水箱51、第一循环水泵52、第一散热器53、空压机驱动器54和第一流量计55，所述空压机2、所述第一循环水泵52、所述第一流量计55、所述第一散热器53、所述空压机驱动器54依次串联，且所述第一循环水泵52向所述空压机驱动器54及所述空压机2输入冷却液，以形成第一循环水路，所述第一补水箱51通过管道分别与所述第一循环水泵52和第一散热器53相连，冷却液在空压机2内吸收了空压机2的热量后，在所述第一循环水泵52的作用下，冷却液依次流向所述第一循环水泵52、所述第一流量计55、所述第一散热器53，最后再从所述第一散热器53流回空压机2，所述第一散热器53可以对第一循环水路内的冷却液进行降温，所述第一流量计55用于测量第一循环水路内的冷却液的流量，所述第一补水箱51可以补充第一循环水路内的冷却液，保证第一循环水路正常运行。通过第一循环水路对空压机2进行降温，防止空压机2长时间使用后过热损坏。连接所述空压机2与所述第一循环水泵52的管道设有温度传感器8，连接所述第一散热器53与所述空压机驱动器54的管道同样设有温度传感器8。

所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括第二液冷模块6、所述第二液冷模块6与所述中冷器4串联，所述第二液冷模块6用于对所述中冷器4调温，从而模拟空气出电堆温度。所述第二液冷模块6包括第二补水箱61、第二循环水泵62、三通阀63、第二散热器64、第二流量计65，所述中冷器4、所述第二循环水泵62、所述第二流量计65、所述三通阀63、所述第二散热器64、所述第二控制阀依次串联，且所述三通阀63及第二散热器64向中冷器4输入冷却液，以形成第二循环水路，所述第二补水箱61通过管道分别与所述第二循环水泵62和第二散热器64相连，所述三通阀63通过管道与所述中冷器4相连。冷却液在中冷器4内吸收了空压机2的热量后，在所述第二循环水泵62的作用下，冷却液依次流向所述第二循环水泵62、所述第二流量计65、所述三通阀63、所述第二散热器64，最后再从所述第二散热器64流回空压机2，所述第二散热器64可以对第二循环水路内的冷却液进行降温，所述第二流量计65用于测量第二循环水路内的冷却液的流量，所述第二补水箱61可以补充第二循环水路内的冷却液，保证第二循环水路正常运行。通过采用三通阀63可以较精准地对中冷器4进行调温，三通阀63可以调节输往第二散热器64的冷却液流量，并对中冷器4进行调温。

所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括增湿机构12，所述增湿机构12包括第三水箱121、高压泵122和喷头123，所述高压泵122通过管道分别与所述第三水箱121和所述喷头123相连，连接所述高压泵122和所述喷头123之间的管道还设有微量流量计，所述喷头123用于对所述连接三通调节阀11和所述水气分离器13的检测管路喷淋冷却液，第三水箱121内的冷却液在所述高压泵122的作用下输往喷头123，喷头123将液体喷向连接所述高压泵122和所述喷头123之间的管道，模拟空气经燃料电池电堆之后的气体加湿情况。此外，所述高压泵122和所述喷头123之间的管道为透明管道，便于观察输往喷头123的水汽的状况。所述空空换热器3通过管道与所述喷头123相连，所述空空换热器3分流高压空气并为喷头的液体提供动力，使液体能呈雾状喷出。

所述空空换热器3的热侧通过管道与所述空压机2和所述中冷器4相连，所述空空换热器3的冷侧通过管道与所述水气分离器13和所述涡轮膨胀机14相连，所述空压机2通过所述空空换热器3的热侧向所述中冷器4输送高温气体，气体经所述水气分离器13后通过空空换热器3的冷侧向所述涡轮膨胀机14输送气体。

所述燃料电池空气路子系统测试系统还包括储水箱16，储水箱16通过管道与所述水气分离器13的底端相连，水气分离器13分离出来的液体可以输往储水箱16进行存储，再把存储的液体用在其它地方上，从而节省资源。所述排气口设有尾排消声器，所述尾排消声器用于降低电池运转产生的噪声，防止噪音污染。所述供气模块1设有过滤器11，所述过滤器11用于过滤空气中的杂质。

当需要测试空压机2的性能时，将背压阀10全开，运转空压机2，通过调节空压机2的转速和背压阀10的开度，从而测试空压机2的性能；记录每个工况中空压机2的转速以及背压阀10的开度；记录空压机2与供气模块1之间的空气流量计9的计数，根据与空压机2相接的两条检测管道的压力传感器7记录空压机2进口压力和出口压力，根据与空压机2相接的两条检测管道的温度传感器8记录空压机2的进口温度和出口温度；记录第一循环水路中两个温度传感器8检测到的值，并计算压比和等熵效率；记录空压机2功耗。在测试中，需要注意调整背压阀10开度时，应保证空压机2不出现喘振和憋泵的情况。

当需要测试涡轮膨胀机14的性能时，将背压阀10全开，运转空压机2，通过调节空压机2的转速以及设置涡轮膨胀机14可调截面的开度来模拟不同工况。此时，如果空压机2和涡轮膨胀机14采用一体化设计，同轴结构方式，则记录每个工况中空压机2的转速、空压机2与供气模块1之间的空气流量计9的计数，根据与空压机2相接的两条检测管道的压力传感器7记录空压机2进口压力和出口压力，根据与空压机2相接的两条检测管道的温度传感器8记录空压机2的进口温度和出口温度，通过与涡轮膨胀机14相接的两条检测管道的压力传感器7记录涡轮膨胀机14进口压力和出口压力，根据与涡轮膨胀机14相接的两条检测管道的温度传感器8记录涡轮膨胀机14的进口温度和出口温度；计算出空压机2的压比、等熵效率和涡轮膨胀机的回收功率；记录空压机2功耗。在测试中，需要注意调整背压阀10开度时，应保证空压机2不出现喘振和憋泵的情况。如果涡轮膨胀机14采用单独设计模式，则外接储能装置及功率分析仪，记录涡轮膨胀机14的回收功率。

当需要测试空空换热器3的性能时，打开空压机2，固定空压机2的转速，运转第一循环水路，使空空换热器3的进口温度稳定；调节空压机2的转速以及背压阀10的开度，记录空压机2与供气模块1之间的空气流量计9的计数，记录涡轮膨胀机14与出气口之间的空气流量计9的计数，记录每条检测管路上温度传感器8和压力传感器7的值，从而计算空空换热器3的换热性能；将介质流量和温度调整到规定工况，测试过程各工况点对规定值的偏差，温度不得大于0.5℃，流量不得大于1％。

当需要测试中冷器4的冷热介质的流量、温度和压力降时，打开空压机2，固定空压机2的转速，运转第一循环水路及第二循环水路，通过三通阀63来调整通过第二散热器64的水流量，防止第二散热器64的最低散热量不能满足电堆运转工况时的水温度要求，使中冷器4的进口温度稳定；调节空压机2的转速、背压阀10的开度及三通阀63的开度，记录空压机2与供气模块1之间的空气流量计9的计数记录每条检测管路上温度传感器8和压力传感器7的值，计算中冷器4的换热性能；将介质流量和温度调整到规定工况，测试过程各工况点对规定值的偏差，温度不得大于0.5℃，流量不得大于1％。

当需要测试背压阀10的流量与开度的关系及压力与开度的关系时。打开空压机2，固定空压机2的转速，转速设置为空压机2的最低转速，运转第一循环水路；调节空压机2的转速，再调节背压阀10的开度，记录同一转速下，不同的背压阀10开度下，记录空压机2与供气模块1之间的空气流量计9的计数，中冷器4和背压阀10之间的压力传感器7的值、第二散热器64图中冷器4之间的压力传感器7的值，用以计算背压阀10的流量和开度的关系及压力与开度的关系，从而计算背压阀的流通能力。

当需要测试水气分离器13的压损和分离效率时，打开空压机2，固定空压机2的转速，转速设置为空压机2的最低转速，运转第一循环水路和第二循环水路，保证空气的温度固定，通过微量流量计来调节高压泵122，根据电堆各工况下生成的水流量来确定微量流量计的值；通过三通调节阀11调节空气流量，三通调节阀11与排气口之间的流量值为电堆消耗的空气流量，剩余的流量为空气尾排的流量，通过测量空压机2与供气模块1之间的流量值、三通调节阀11与排气口之间的流量值，来确定水气分离器13的进气量；通过三通调节阀11进口端和出口端的压力值来确定水气分离器13的压损，通过测量储水箱16的水量来确定水气分离器13的分离出的水量，用于计算水气分离器13的分离效率。调整空压机2的转速及背压阀10的开度，测量不同的工况下水气分离器13的分离效率。

综上，本发明实施例提供一种燃料电池空气路子系统测试系统，其可以测试空压机2、空空换热器3、中冷器4、背压阀10、水气分离器13等零部件的性能，可以单独调节第二循环水路的冷却水温度和第一循环水路的冷却温度，可以模拟电堆空气路的气体相对湿度及电堆反应的水生成量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。